A tudósok a víz új állapotát fedezték fel

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Az egyik alapvető dolog, amit az iskolai természettudományos órákon megtanulunk, hogy a víz három különböző állapotban létezhet: szilárd jég, folyékony víz vagy gáznemű gőz. A közelmúltban azonban egy nemzetközi tudóscsoport arra utaló jeleket talált, hogy a folyékony víz két különböző állapotban is létezhet.

A kutatómunka során – az eredményeket később az International Journal of Nanotechnology-ban publikálták – a tudósok váratlanul felfedezték, hogy számos tulajdonság megváltozik a vízben 50-60 ℃ hőmérsékleten. A víz egy második folyékony halmazállapotának lehetséges létezésének ez a jele heves vitát váltott ki tudományos körökben. Ha bebizonyosodik, a felfedezés számos területen alkalmazható lesz, beleértve a nanotechnológiát és a biológiát is.

Az atom- és molekularendszerek elméletének kulcsfogalma az aggregált állapotok, amelyeket "fázisoknak" is neveznek. Nagyjából elmondható, hogy egy sok molekulából álló rendszer a teljes energiamennyiségétől függően bizonyos számú konfigurációba szerveződhet. Magas hőmérsékleten (tehát magasabb energiaszinten) nagyobb számú konfiguráció áll a molekulák rendelkezésére, vagyis kevésbé mereven szerveződnek és viszonylag szabadon mozognak (gázfázis). Alacsonyabb hőmérsékleten a molekulák kevesebb konfigurációval rendelkeznek, és szervezettebb (folyékony) fázisban vannak. Ha a hőmérséklet még lejjebb csökken, akkor egy meghatározott konfigurációt vesznek fel, és szilárd anyagot képeznek.

Ez a dolgok általános állapota a viszonylag egyszerű molekuláknál, mint például a szén-dioxid vagy a metán, amelyeknek három különböző halmazállapota van (folyékony, szilárd és gáz). De az összetettebb molekuláknak több lehetséges konfigurációja van, ami azt jelenti, hogy a fázisok száma nő. Kiválóan illusztrálja ezt a folyadékkristályok kettős viselkedése, amelyek szerves molekulák komplexeiből képződnek, és folyadékként tudnak folyni, de mégis megőrzik szilárd kristályszerkezetét.

Mivel egy anyag fázisait molekuláris konfigurációja határozza meg, számos fizikai tulajdonság drámaian megváltozik, amikor az anyag egyik állapotból a másikba kerül. A fent említett vizsgálat során a tudósok a víz számos szabályozási tulajdonságát mérték 0 és 100 ℃ között normál légköri körülmények között (úgy, hogy a víz folyékony legyen). Váratlanul drámai eltéréseket találtak olyan tulajdonságokban, mint a víz felületi feszültsége és a törésmutató (az az index, amely azt tükrözi, hogy a fény hogyan halad át a vízen) körülbelül 50 ℃ hőmérsékleten.

Különleges szerkezet

Hogyan lehetséges ez? A vízmolekula, a H2O szerkezete nagyon érdekes, és egyfajta nyílként is ábrázolható, ahol az oxigénatom felül helyezkedik el, oldaláról pedig két hidrogénatom "kíséri". A molekulákban az elektronok aszimmetrikusan oszlanak el, ezért a molekula negatív töltést kap az oxigén oldalról a hidrogén oldalhoz képest. Ez az egyszerű szerkezeti sajátosság oda vezet, hogy a vízmolekulák bizonyos módon kölcsönhatásba lépnek egymással, ellentétes töltéseik vonzzák egymást, úgynevezett hidrogénkötést képezve.

Ez lehetővé teszi, hogy a víz sok esetben másként viselkedjen, mint amit más egyszerű folyadékok megfigyeltek. Például a legtöbb más anyaggal ellentétben egy bizonyos tömegű víz szilárd állapotban (jég formájában) több helyet foglal el, mint folyékony állapotban, mivel molekulái sajátos szabályos szerkezetet alkotnak. Egy másik példa a folyékony víz felületi feszültsége, amely kétszer akkora, mint más nem poláris, egyszerűbb folyadékoké.

A víz nagyon egyszerű, de nem elsöprő. Ez azt jelenti, hogy a víz további megnyilvánulásának egyetlen magyarázata az, hogy egy kicsit folyadékkristályként viselkedik. A molekulák közötti hidrogénkötések alacsony hőmérsékleten fenntartanak egy bizonyos rendet, de a hőmérséklet emelkedésével egy másik, szabadabb állapotba is kerülhetnek. Ez magyarázza a tudósok által a kutatás során megfigyelt jelentős eltéréseket.

Ha ez beigazolódik, a szerzők következtetéseinek sok haszna lehet. Például, ha a környezet (mondjuk a hőmérséklet) változása egy anyag fizikai tulajdonságainak megváltozását vonja maga után, elméletileg ez felhasználható szondázó berendezés létrehozására. Vagy megközelítheti alaposabban is – a biológiai rendszerek főként vízből állnak. A szerves molekulák (például a fehérjék) egymással való kölcsönhatása valószínűleg attól függ, hogy a vízmolekulák hogyan alkotják a folyékony fázist. Ha megérti, hogyan viselkednek átlagosan a vízmolekulák különböző hőmérsékleteken, tisztázhatja, hogyan hatnak egymásra a biológiai rendszerekben.

Ez a felfedezés remek lehetőség elméleti szakemberek és kísérletezők számára, valamint kiváló példa arra, hogy a legismertebb anyag is képes titkokat rejteni magában.

Rodrigo Ledesma Aguilar